Дисковий двигун каскадного обміну тиском

Реферат: Дисковий двигун каскадного обміну тиском містить статор, на зовнішній циліндричній поверхні якого розміщене вікно для підведення паливоповітряної суміші, а на внутрішній циліндричній поверхні - вікно для відведення газів, ротор, оснащений перегородками, що утворюють напорообмінні комірки з вихідними перерізами, розташованими на його внутрішній і зовнішній поверхні. На зовнішній циліндричній поверхні статора по обидві сторони від вікна для підведення паливоповітряної суміші розміщений ряд вікон, попарно сполучених між собою тепломасообмінними каналами. Зовнішні масообмінні канали, що попарно з'єднують ряд вікон, розміщених по обидві сторони від вікна для відведення газів на внутрішній циліндричній поверхні статора, виконані теплоізольованими від навколишнього середовища. UA 105594 U (12) UA 105594 U UA 105594 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до двигунобудування і може бути використана для привода різних механізмів. Відомо дисковий двигун, що містить статор, на зовнішній циліндричній поверхні якого розміщене вікно для підведення паливоповітряної суміші, а на внутрішній циліндричній поверхні - вікно для відведення газів, ротор, оснащений s-подібними перегородками, що утворюють напорообмінні комірки з вихідними перерізами, розташованими на його внутрішній і зовнішній поверхні [див. Piechna, J., Akbari, P., Iancu, F., Miller, N. "Radial-Flow Wave Rotor Concepts, Unconventional Designs and Applications" 2004 International Mechanical Engineering Conference, ASME Paper IMECE 2004-59022, CA, Nov2004.]. В основі робочого процесу відомого двигуна використовується принцип хвильового обміну тиском між свіжим зарядом і відпрацьованими газами. Наповнення комірок, укладених між s-подібними перегородками ротора здійснюється з вікна для підведення паливоповітряної суміші і частково сполучено з періодом випуску продуктів згоряння у вікно для відведення газів, при цьому реактивний струмінь газу, який виходить з комірок, створює крутний момент двигуна. Недоліком відомого двигуна є вузький діапазон швидкісних режимів роботи. Яскраво виражений хвильовий характер обмінних процесів визначає чутливість його видаткових характеристик до термодинамічних параметрів робочих середовищ і частоти обертання ротора. Відхилення режиму роботи двигуна від розрахункових умов призводить до руйнування настроєної картини взаємодії хвиль із газорозподільними вікнами і різким зниженням його ККД. Найближчим аналогом є дисковий двигун каскадного обміну тиском, що містить статор, на зовнішній циліндричній поверхні якого розміщене вікно підведення паливоповітряної суміші, а на внутрішній циліндричній поверхні - вікно для відведення газів, ротор, оснащений перегородками, що утворюють напорообмінні комірки з вихідними перерізами, розташованими на його внутрішній і зовнішній поверхні, на внутрішній циліндричній поверхні статора по обидві сторони від вікна для відведення газів розміщений ряд вікон, попарно сполучених між собою зовнішніми масообмінними каналами, на зовнішній циліндричній поверхні статора опозитно вікну для підведення паливоповітряної суміші виконане поглиблення з розміщеним у ньому джерелом запалення суміші [див. Патент UА № 104798, МПК F 03 G 7/06, опубл. 11.03.2014, Бюл. № 5]. Основним недоліком двигуна є відносно невисокий ККД, обумовлений незначною частотою обертання двигуна, яка, у свою чергу, обмежена пропускною здатністю зовнішніх масообмінних каналів. Також мають місце високі втрати теплової енергії на променистий теплообмін з навколишнім середовищем зі сторони зовнішніх масообмінних каналів. Задачею корисної моделі є підвищення ККД двигуна шляхом збільшення пропускної здатності масообмінних каналів та повернення у робочий цикл теплової енергії, витраченої у найближчому аналогу на променистий теплообмін з навколишнім середовищем, що дозволить підвищити частоту обертання двигуна та збільшити частку корисно використовуваної потокової субстанції у масообмінних каналах, сприяючи додатковому підвищенню попереднього стиску заряду без збільшення кількості підведеної теплоти. Поставлена задача вирішується тим, що в дисковому двигуні каскадного обміну тиском, що містить статор, на зовнішній циліндричній поверхні якого розміщене вікно для підведення паливоповітряної суміші, а на внутрішній циліндричній поверхні - вікно для відведення газів, ротор, оснащений перегородками, що утворюють напорообмінні комірки з вихідними перерізами, розташованими на його внутрішній і зовнішній поверхні, на внутрішній циліндричній поверхні статора по обидві сторони від вікна для відведення газів розміщений ряд вікон, попарно сполучених між собою зовнішніми масообмінними каналами, на зовнішній циліндричній поверхні статора опозитно вікну для підведення паливоповітряної суміші виконане поглиблення з розміщеним у ньому джерелом запалення суміші, згідно з корисною моделлю, на зовнішній циліндричній поверхні статора по обидві сторони від вікна для підведення паливоповітряної суміші розміщений ряд вікон, попарно сполучених між собою тепломасообмінними каналами, а зовнішні масообмінні канали, що попарно з'єднують ряд вікон, розміщених по обидві сторони від вікна для відведення газів на внутрішній циліндричній поверхні статора, виконані теплоізольованими від навколишнього середовища. Розміщення на зовнішній циліндричній поверхні статора по обидві сторони від вікна для підведення паливоповітряної суміші ряду вікон, попарно сполучених між собою тепломасообмінними каналами дозволить додатково підвищити пропускну здатність напорообмінних каналів між суміжними комірками лінії розширення і стиску, що приведе до прискореного здійснення процесів каскадно-теплового стискування робочого тіла в комірках двигуна, а також до можливості підвищення частоти обертання ротора двигуна і, таким чином, підвищенню його потужності. 1 UA 105594 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Виконання теплоізольованими від навколишнього середовища зовнішніх масообмінних каналів, що попарно з'єднують ряд вікон, розміщених по обидві сторони від вікна для відведення газів приведе до повернення в робочий цикл двигуна теплоти, загубленої на променистий теплообмін з навколишнім середовищем, що забезпечить підвищення потенціалу стискаючого середовища і, як наслідок, поліпшення термодинамічної ефективності тепломасообмінних процесів між комірками ділянки розширення і стиску, що приведе до збільшення ступеня підвищення тиску в процесі стискування і, в решті-решт, підвищенню потужності і ККД двигуна без збільшення кількості підведеної теплоти. Суть корисної моделі пояснюється кресленням принципової схеми дискового двигуна. Дисковий двигун каскадного обміну тиском містить статор 1, на внутрішній циліндричній поверхні якого розміщене вікно 2 для відведення газів, а на зовнішній циліндричній поверхні вікно 3 для підведення паливоповітряної суміші, розділене перегородкою 4 на сектор 5, сполучений з каналом 6 для підведення горючої суміші і сектор 7 - з каналом 8 для підведення повітря з атмосфери, ротор 9, з якого знімається потужність, оснащений перегородками 10, що утворюють напорообмінні комірки 11 із вхідними 12 і вихідними 13 перерізами, відповідно розташованими на його внутрішній і зовнішній поверхні. Частина кожної з перегородок 10 з боку зовнішньої циліндричної поверхні ротора 9 загнута на всю довжину в напрямку, протилежному обертанню ротора 9. На внутрішній циліндричній поверхні статора 1 по обидві сторони від вікна 2 для відведення газів розміщено ряд вхідних 14 і вихідних 15 вікон, попарно сполучених між собою симетрично щодо вікна 2 для відведення газів за допомогою зовнішніх масообмінних каналів 16. На зовнішній циліндричній поверхні статора 1 опозитно вікну 3 для підведення паливоповітряної суміші виконане поглиблення 17 з розміщеним у ньому джерелом запалення суміші 18. Зовнішні масообмінні канали 16 ізольовані від навколишнього середовища теплоізоляцією 19. На зовнішній циліндричній поверхні статора 1 по обидві сторони від вікна 3 для підведення паливоповітряної суміші розміщений ряд вхідних 20 та вихідних 21 вікон, попарно сполучених між собою тепломасообмінними каналами 22. Дисковий двигун каскадного обміну тиском працює наступним чином. При обертанні ротора 9 кожна з комірок 11, укладена між перегородками 10, наповнена попередньо стисною паливоповітряною сумішшю і стискаючими газами, сполучається з поглибленням 17 статора 1, де в результаті подачі іскри джерелом запалення 18 формується фронт полум'я, що поширюється уздовж комірки. У результаті вигоряння палива тиск і температура газів у комірці 11 підвищуються. У процесі подальшого обертання ротора 9 при сполученні розглянутої комірки 11 із вхідними вікнами 14 гарячі гази, обмиваючи загнуті перегородки 10 проходять до масообмінних каналів 16 під гострим кутом до вектора окружної швидкості, внаслідок чого створюється основний крутний момент двигуна. Зовнішні масообмінні канали 16 виконані з теплоізоляцією 19, це повертає до робочого циклу двигуна теплоту, яка загублена у прототипі на променистий теплообмін з навколишнім середовищем, що забезпечує підвищення потенціалу стискаючого середовища та приведе до збільшення ступеня підвищення тиску в процесі стискування і, врешті-решт, до підвищення потужності і ККД двигуна без збільшення кількості підведеної теплоти. Одночасно комірка сполучається з вхідними вікнами 20 тепломасообмінних каналів 22. У міру витікання газів у масообмінні канали 16 та 22 тиск у комірці 11 зменшується і у момент, що передує підключенню комірки 11 до вікна 2 для відведення газів, у ній зберігається деякий залишковий тиск, що перевищує атмосферний. При цьому в кожному масообмінному каналі 16 та 22 встановлюється свій надлишковий тиск із максимальним значенням у каналі 16 та 22, розташованим безпосередньо у джерелі запалення 18, і мінімальним - у каналі 16 та 22, розташованим безпосередньо у вікні 2 для відведення газів. Завдяки цьому перепад тисків у вихідному перерізі 13 комірки 11 при її сполученні з кожним з масообмінних каналів 16 та 22 не перевищує надкритичного рівня, що забезпечує малі втрати затоплення реактивного струменя. При сполученні комірки 11 з вікном 2 для відведення газів гарячі гази з надлишковим тиском виходять із вихідних перерізів 13 під гострим кутом в атмосферу, внаслідок чого створюється додатковий крутний момент реактивного витікання струменя. У момент, коли тиск у комірці 11 наближається до атмосферного, остання своїм вхідним перерізом 12 спочатку сполучається із сектором 7 вікна 3 для підведення паливоповітряної суміші. Атмосферне повітря під дією розрядження, створюваного відцентровими силами, через канал 8 надходить у комірку 11, заміщаючи відпрацьовані гази, які виходять через вікно 2 для відведення газів. Далі в процесі обертання ротора 9 комірка 11 сполучається із сектором 5, що супроводжується надходженням у комірку 11 горючої суміші через канал 6 для підведення горючої суміші. Завдяки розподілу перегородкою 4 потоків свіжого заряду в процесі продування ротора 9 виключаються витоки горючого середовища через вікно 2 для відведення газів, оскільки заміщення відпрацьованих 2 UA 105594 U 5 10 15 газів у комірці 11 здійснюється безпосередньо атмосферним повітрям, первинна порція якого виконує функції транзитного середовища. Після роз'єднання з вікнами 2 і 3 одна частина обсягу комірки 11 заповнена повітрям, інша, більша - горючою сумішшю. У процесі подальшого обертання ротора 9 розглянута комірка 11 послідовно сполучається з вихідними вікнами 15 і 21 масообмінних каналів 16 і 22, у результаті чого в неї надходять гази із суміжних щодо кожного з каналів 16 комірок. Тиск і температура газів у комірці 11 підвищуються. На ділянці стиску реалізується додатковий реактивний момент, одержуваний при витіканні робочого тіла з масообмінних каналів 16 у комірці 11 ротора 9. Таким чином, попередній стиск свіжого заряду у комірках здійснюється за рахунок енергії розширення газів у суміжних комірках 11 ротора 9 у процесі прямого каскадного масообміну робітничих середовищ у індикаторному циклі двигуна. У процесі попереднього стиску робочого тіла горюча суміш у комірці 11 додатково підігрівається за рахунок контакту зі стискаючим середовищем і теплообміну з перегородками 10, завдяки чому забезпечуються сприятливі умови для своєчасного вигоряння палива. Протікання розглянутого циклу у всіх комірках 11 ротора 9 у своїй сукупності забезпечує безперервний робочий процес двигуна зі зняттям крутного моменту з ротора 9. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 Дисковий двигун каскадного обміну тиском, що містить статор, на зовнішній циліндричній поверхні якого розміщене вікно для підведення паливоповітряної суміші, а на внутрішній циліндричній поверхні - вікно для відведення газів, ротор, оснащений перегородками, що утворюють напорообмінні комірки з вихідними перерізами, розташованими на його внутрішній і зовнішній поверхні, на внутрішній циліндричній поверхні статора по обидві сторони від вікна для відведення газів розміщений ряд вікон, попарно сполучених між собою зовнішніми масообмінними каналами, на зовнішній циліндричній поверхні статора опозитно вікну для підведення паливоповітряної суміші виконане поглиблення з розміщеним у ньому джерелом запалення суміші, який відрізняється тим, що на зовнішній циліндричній поверхні статора по обидві сторони від вікна для підведення паливоповітряної суміші розміщений ряд вікон, попарно сполучених між собою тепломасообмінними каналами, а зовнішні масообмінні канали, що попарно з'єднують ряд вікон, розміщених по обидві сторони від вікна для відведення газів на внутрішній циліндричній поверхні статора, виконані теплоізольованими від навколишнього середовища. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3